嵌入式系统基础》27037

嵌入式系统基础 单片微型计算机原理及应用 前言 一、为什么要开这门课 ? 二、为什么选择 MCS-51单片机 ? 三、单片机和其他课程的关系 四、如何学好本课程 ? 五、课程内容 六、要求 一、为什么要开这门课 ? 电专业的专业基础课。 广泛的应用： 在控制与检测方面 ,是一个重要的分支（单片机与 PLC） 作为开发新产品和改造老产品的首选微机系统 作为 高级工程技术人员 必须掌握。 二、为什么选择 MCS-51单片机 ? 历史长、应用广、技术成熟 兼容性好 现在的单片机集成度高，主要是软件编程 作为检测与控制， 8位机是主流 三、和其他课程的关系 电路 电子 -数字与模拟 （后续课程的基础） 控制与检测技术 （专业课） 四、如何学好本课程 ? 热爱 关键 基础 保证 关注与交流 加快 实验 重要的一步 动手 掌握应用技术的前提 五、课程内容 共分 12章内容： 微型计算机基础、半导体存储器基础 输入 /输出接口基础、单片机基础 程序设计、单片机应用、存储器扩展、I/O口扩展、系统设计、单片机的 C语言设计 六、要求： 认真： 上课认真 作业认真 交流： 和老师的交流 同学之间的交流 第 1章 微型计算机基础 主要介绍 微型计算机 的基本问题 （ Micro Computer-MC) 1 1 微型计算机概述 1 2 微型计算机系统 1 3 数字电路基础 1 4 计算机中的数制和编码 1946年 2月 15日 ，第一台电子数字计算机问世，标志着计算机时代的到来。 ENIAC（ “埃尼阿克” ） 匈牙利籍数学家 冯 诺依曼 在 1946年提出了 “ 程序存储 ” 和 “ 二进制运算 ” 的思想 ， 进一步构建了 计算机由运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入设备和输出设备组成 这一计算机的经典结构 。 （ EDVAC-ELECTRONIC DISCRETE VARIABLE AUTOMATIC COMPUTER） 存 储 器输 出 设 备输 入 设 备控 制 器运 算 器电子计算机技术的发展 ， 相继经历了五个时代： 电子管计算机； 晶体管计算机； 集成电路计算机； 大规模集成电路计算机； 超大规模集成电路计算机 。 计算机的结构仍然没有突破冯 诺依曼提出的计算机的经典结构框架 。 1 1 微型计算机概述 一、发展 二、分类 三、特点 四、应用 五、发展趋势 一、微型计算机的发展 六个时期： 第一时期（ 1971 1973年） 4位或 8位 低档微处理器和微机； 第二时期（ 1973 1977年） 8位 中高档微处理器和微机； 第三时期（ 1978 1984年） 16位 微处理器和微机； 第四时期（ 1985 1992年） 32位 微处理器和微机； 第五时期（ 1993 1999年） 超级 32位 Pentium微处理器和微机 第六时期（ 2000年以后） 新一代 64位 微处理器 Merecd和微机 二、 MC的分类 共有 4种分类方法。 1 按微处理器的位数（字长）分 4位机、 8位机、 16位机、 32位机、64位机 2 按微型计算机的用途分 通用机和专用机两类 3、按微型计算机的档次分 低档机、中档机和高档机 4、按微型计算机的组装形式和系统规模分 单片机、单板机、个人计算机 从应用形态上，微机可以分成三种： 多板机（系统机） 将 CPU、存储器、 I/O接口电路和总线接口等组装在一块主机板（即微机主板）。各种适配板卡插在主机板的扩展槽上并与电源、软 /硬盘驱动器及光驱等装在同一机箱内，再配上系统软件，就构成了一台完整的微型计算机系统（简称系统机）。 工业 PC机 也属于多板机。 单板机 将 CPU芯片、 存储器 芯片、 I/O接口 芯片和简单的 I/O设备 （小键盘、 LED显示器）等装配在一块印刷电路板上，再配上 监控程序 （固化在 ROM中），就构成了一台单板微型计算机（简称单板机）。 单板机 单片机是将中央处理器（ CPU） ,随机存储器（ RAM），只读存储器（ ROM或 EPROM） ,定时器 /计数器芯片和一些输入 /输出接口电路集成在一个芯片上的微型计算机，有的甚至包含 A/D、 D/A转换器。总而言之，一块单片机芯片，就相当于一台微型计算机。又称为微控制器（ Microcontroller）。 它是专为工业控制和智能仪器设计的一种集成度很高的微型计算机。 单片机 三种应用形态的比较 ： 单板机 单片机 系统机（多板机） 系统机 （ 桌面应用 ） 属于通用计算机 ， 主要应用于数据处理 、 办公自动化及辅助设计 。 单片机 （ 嵌入式应用 ）属于专用计算机 ， 主要应用于智能仪表 、 智能传感器 、 智能家电 、 智能办公设备 、 汽车及军事电子设备等应用系统 。 图 1-1 微处理器、微计算机和微计算机系统的关系 微计算机系统概念 单片机的发展 单片机技术发展过程可分为三个主要阶段： 单芯片微机形成阶段 1976年， Intel公司推出了 MCS-48系列单片机 。 8位 CPU、 1K字节 ROM、 64字节 RAM、27根 I/O线和 1个 8位定时 /计数器 。 特点是 ：存储器容量较小，寻址范围小（不大于 4K），无串行接口，指令系统功能不强。 性能完善提高阶段 1980年， Intel公司推出了 MCS-51系列单片机： 8位 CPU、 4K字节 ROM、 128字节RAM、 4个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16位定时 /计数器。寻址范围 64K，并有控制功能较强的布尔处理器。 特点是 ：结构体系完善，性能已大大提高，面向控制的特点进一步突出。现在， MCS-51已成为公认的单片机经典机种 。 微控制器化阶段 特点是 ：片内面向测控系统，外围电路增强，使单片机可以方便灵活地用于复杂的自动测控系统及设备。 “微控制器”的称谓更能反应单片机的本质 。 1982年， Intel推出 MCS-96系列单片机。 芯片内集成： 16位 CPU、 8K字节 ROM、 232字节 RAM、 5个 8位并口、 1个全双工串行口、 2个 16位定时 /计数器。寻址范围 64K。片上还有 8路 10位 ADC、 1路 PWM输出及高速 I/O部件等。 三、 MC特点 （ 1）体积小、重量轻、功耗低 （ 2）可靠性高、使用环境条件要求低 （ 3）结构简单灵活、系统设计方便、适应性强 （ 4）性能价格比高 四、 MC应用 （ 1）科学计算 （ 2）数据处理和与信息管理 （ 3） CAD、 CAM、 CAA和 CAI的应用 （ 4）过程控制和仪器仪表智能化 （ 5）军事领域的应用 （ 6）多媒体系统和信息高速公路 （ 7）家用电器和家庭自动化 （ 8）人工智能的应用 五、 MC发展趋势 多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术 1 2 微型计算机系统 一、微型计算机基本结构 二、微处理器、微型计算机、微型计算机系统 三、微型计算机的主要术语及性能指标 一、微型计算机基本结构 MC机是由 硬件 和 软件 两大部分组成。 硬件 是指为组成计算机而有机联系的电子、电磁、机械、光学的元件、部件或装置的总和，它是有型的物理实体。 软件 是相对于硬件而言的，从狭义的角度看，软件包括计算机运行所需要的各种程序；而从广义角度讲，软件还包括手册、说明书和有关资料。 1、硬件基本结构 MC由 运算器 、 控制器 、 存储器 、 输入设备 及 输出设备 五大部分组成。 运算器 +控制器 +存储器 =主机 ； 输入 +输出设备则称为计算机的外围设备（简称 “ 外设 ” ）； 运算器 +控制器 =中央处理单元 CPU（ Central Process Unit）。 2微型计算机的软件 计算机能够脱离人的直接控制而自动地操作与运算，还必须要有软件。 软件是指使用和管理计算机的各种程序（ Program），而程序是由一条条 指令（ Instruction）组成的。 程序的集合构成了计算机中的 软件系统。 （ 1）指令 控制计算机完成各种操作的命令称为指令。 例如： ADD A， #38 指令分成 操作码 和 操作数 两大部分。 操作码 表示该指令执行何种操作， 操作数 表示参加运算的数据或数据所在的地址。 （ 2）程序 为了计算一个数学式，或者要控制一个生产过程，需要事先制定计算机的计算步骤或操作步骤。计算步骤是由一条条指令来实现的。这种一系列指令的有序集合称为程序。编制程序的过程称为程序设计：例如，计算63+56+36+14=？ 编制的程序如下： MOV A， #63 ADD A， #56 ADD A， #36 ADD A， #14 （ 3）汇编语言、高级语言和机器语言 汇编语言与机器语言的对照： MOV A， #63 0111 0100 0011 1111 ADD A， #56 0010 0100 0011 1000 ADD A， #36 0010 0100 0010 0100 ADD A， #14 0010 0100 0000 1110 （ 4）汇编、编译与解释程序 3硬件和软件的关系 微机系统是硬件和软件有机结合的整体。计算机的硬件和软件是密可不分但又相互独立的。 硬件是基础 软件是灵魂 二、微处理器、 MC、 MC系统 微处理器、微型计算机、微型计算机系统 是不同的概念，有必要对它们加以说明。 1、微处理器 -CPU 微处理器是利用微电子技术将计算机的核心部件（运算器和控制器）集中做在一块集成电路上的一个独立芯片。它具有解释指令、执行指令和与外界交换数据的能力。 无论那种 CPU，其内部基本组成总是大同小异，其内部包括三部分：运算器、控制器、内部寄存器阵列（工作寄存器组） 典型微处理器结构图 ： （ 1）运算器： 算术逻辑运算单元和累加器、标志寄存器、二十进制调整电路 （ 2）控制器： 控制器包括指令寄存器 IR、指令译码器ID和定时与控制电路三部分。 （ 3）内部寄存器阵列 （ 4）程序计数器 功能： 可以进行算术和逻辑运算； 可保存小量数据； 能对指令进行译码并执行规定的动作； 能和存储器、外设进行数据交换； 提供整个系统所需要的定时和控制； 可以响应其他部件发来的中断请求 使用： 内部的寄存器 -名字（符号）、大小、特殊性 （关键是使用） 2、微型计算机 由： CPU、存储器、输入 /输出（ I/O）口电路构成，各部分之间通过总线（ Bus） 连接。 （ 1） CPU： CPU是微型计算机的核心，它的性能决定了整个微型计算的各项关键指标。 微处理器本身不能构成独立工作的系统，也不能独立执行程序，必须配上 存储器、外部输入 /输出接口 构成一台微型计算机方能工作。 （ 2）存储器 存储器是微型计算机的重要组成部分，是用来存放程序和数据的， 计算机有了存储器才具备记忆的能力。 存储器是由存储器单元组成的 由地址确定。 从应用的角度讲，计算机工作时， CPU对存储器的操作只有 “ 读 ” 和 “ 写 ” 操作。 （ 3）输入 /输出接口电路 输入 /输出接口作 桥梁 ，起到 信息转换与协调 的作用。 从应用的角度讲，计算机工作时， CPU对 I/O口的操作只有 “ 读 ” 和 “ 写 ” 。 操作时对 端口号 的操作。 （ 4）总线 所谓总线，就是在微型计算机各芯片之间或芯片内部各部件之间传输信息的一组公共通信线 。 微型计算机总线的种类非常多，可分为